Vers des vitrages « intelligents » pour la protection des biens culturels

Comment contrôler et améliorer la qualité des vitrines dans lesquelles les objets patrimoniaux sont exposés dans les musées ? Les polymères apportent des solutions à cette problématique de conservation préventive.

Sauvegarder le patrimoine culturel pour le transmettre aux générations futures tout en le rendant accessible au public est aujourd’hui une nécessité, mais également un défi majeur. Mettre les biens culturels à la disposition du public peut en effet conduire à leur dégradation. L’utilisation d’un vitrage de protection s’avère une barrière efficace pour prévenir toute manipulation ou tout contact indésirable avec l’objet. Elle peut également permettre de le protéger des rayonnements ultra-violets. Enfin, l’usage d’une vitrine englobant la totalité de l’œuvre est une solution efficace pour créer un microclimat favorable à sa conservation. L’usage du verre, lourd et fragile, est souvent délaissé au profit de polymère synthétique de type Plexiglas®. Dans certains cas, ce vitrage fait partie intégrante de l’œuvre, comme le montage DIASEC® pour les photographies. Ces vitrages synthétiques présentent des avantages certains ; ils sont toutefois sensibles à l’abrasion et les nettoyages successifs provoquent l’apparition de rayures qui altèrent la vision de l’œuvre.

Développer des vitrages qui seraient résistants à la rayure et qui, de surcroît, protégeraient l’œuvre des rayonnements UV ou avertiraient de leur présence : tel est le projet à l’origine d’une thèse menée dans le cadre d’un partenariat entre l’Université de Cergy-Pontoise et le Centre de recherche sur la conservation. Le premier objectif a été d’élaborer un vitrage de type Plexiglas® plus résistant aux conditions de nettoyage – rayures et solvants – que les vitrages actuellement utilisés dans les musées. Il convenait que ce matériau soit stable dans le temps et que son coût soit abordable. Nous souhaitions également rendre ce vitrage « intelligent » en le faisant réagir, par un changement de couleur par exemple, en présence de rayonnements UV. Ce changement de couleur vise à alerter très simplement les conservateurs du danger pour l’œuvre.

Des matériaux composés de PMMA (composant du Plexiglas®) et de polycarbonate PCR39® (composant des verres de lunettes de vue) en différentes proportions massiques ont été développés. Pour cela, nous avons utilisé une technique de synthèse particulière, savoir-faire du Laboratoire de Physicochimie des Polymères et des Interfaces, conduisant à une architecture dite de « réseaux interpénétrés de polymères (RIP) ». Ces RIPs PMMA/PCR39® transparents (95% de la lumière visible les traversent), synthétisés en une seule étape, sans solvant, présentent une résistance à la rayure six fois supérieure à celle du Plexiglas®. Ils sont également plus résistants aux solvants : on ne détecte pas de craquelure ni de gondolement lors de leur immersion dans différents solvants de nettoyage.

Nous avons ensuite cherché à améliorer la résistance à la rayure de ces RIPs PMMA/PCR39® en les transformant en matériaux hybrides. Pour ce faire, nous avons introduit dans le PMMA des nanoparticules de silice, c’est-à-dire des particules de sable tellement petites – diamètre inférieur à 10 nm – qu’elles ne sont pas visibles à l’œil nu. Pour que ces dernières se répartissent de façon homogène dans l’ensemble du matériau, il a été nécessaire au préalable de les modifier chimiquement. La faible taille des nanoparticules permet de conserver la transparence du PMMA avec 90% de la lumière visible qui les traversent encore. L’introduction de ces nanoparticules a permis d’améliorer la résistance à la rayure des RIPs PMMA/PCR39® d’un facteur trois. Contrairement aux matériaux multicouches commerciaux, ces derniers sont monobloc, donc fabriqués en une seule étape.

L’évolution de ces matériaux au cours du temps demeure à étudier. En effet, alors que le PMMA est très résistant, les polycarbonates ont tendance à jaunir sous l’effet de la lumière. Toutefois, des RIPs PMMA/PCR39® exposés derrière une vitre extérieure pendant un an ne jaunissent pas, ce qui constitue un résultat encourageant.

Nous avons enfin modifié les RIPs PMMA/PCR39® afin de les transformer en capteur UV intégré au vitrage. Pour cela, les nanoparticules de silice modifiées ont été remplacées par des nanoparticules luminescentes. Celles-ci ont la propriété, quand elles reçoivent de la lumière blanche, de réémettre une lumière d’une seule couleur. Lorsque des nanoparticules de gadolinium dopées europium (Gd2O3:Eu) sont introduites, les matériaux sont transparents s’ils sont éclairés en lumière blanche (sans UV). En revanche, ils deviennent rouges lorsqu’ils sont exposés à un rayonnement UV-C (254nm, le plus dangereux) ou bleus lorsque la longueur d’irradiation est à 365nm (UV-A). La réponse visuelle obtenue est réversible car, en l’absence d’UV, le matériau reste ou redevient parfaitement transparent.

Capteur UV-visible à base de RIPs PMMA/PCR39® exposés à différents rayonnements. @ Isabelle Fabre-Francke, LPPI.

Cette dernière étude valide le fait qu’il est possible de rendre un vitrage « réactif aux UV » en y introduisant des nanoparticules appropriées. Ces résultats prometteurs permettent d’envisager la fabrication d’un vitrage intelligent capable d’alerter de la présence d’UV. Pour que ce vitrage devienne idéal, il faudra développer un revêtement antireflet et éventuellement antistatique intégré sans perdre les améliorations déjà obtenues, tout en conservant l’objectif d’un vitrage à faible coût.

Isabelle Fabre-Francke et Odile Fichet


Thèse réalisée par Mickaël Berrebi.

Partenaires : Odile Fichet et Isabelle Fabre-Francke (Université de Cergy-Pontoise, Laboratoire de Physicochimie des Polymères et des Interfaces) ; Bertrand Lavédrine (Centre de recherche sur la conservation, CNRS-Muséum national d’histoire naturelle-Ministère de la Culture).


Publications associées au projet :

M. Berrebi, I. Fabre-Francke, B. Lavédrine et O. Fichet, « Development of Organic Glass Using Interpenetrating Polymer Networks with Enhanced Resistance Towards Scratches and Solvents », European Polymer Journal, 63, 2015, p. 132-140.

M. Berrebi, Développement de vitrages organiques et hybrides à base de réseaux interpénétrés de polymères pour la protection des biens culturels, Thèse, Université de Cergy-Pontoise, juin 2015.


Crédit Photo à la Une : RIPs PMMA/PCR39® placés devant la photo d’une œuvre. @ Mickaël Berrebi, LPPI, CRC.


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